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Magnetmetros
Un magnetmetro es un instrumento que mide la intensidad y, a
veces, tambin la
direccin de un campo magntico.
El primer magnetmetro fue inventado en 1833 por Carld Friedrich
Gauss. Durante
el siglo XIX, notables desarrolladores incluyeron el Efecto Hall
como forma de
medida de campos magnticos, el cual sigue ampliamente en uso en
la actualidad.
Los magnetmetros se pueden dividir en dos tipos: escalares y
vectoriales.
Los magnetmetros se usan, mayoritariamente, para la medicin del
campo
magntico terrestre y en estudios geofsicos, para detectar
anomalas magnticas
de diferentes tipos.
En la actualidad ms reciente, los magnetmetros han sido
miniaturizados, con el
objetivo de ser incorporados en circuitos integrados a un coste
muy bajo. Tambin
ha aumentado su uso como brjula en dispositivos electrnicos como
los mviles
o las tablets.
Tipos
Los magnetmetros pueden ser divididos en dos tipos bsicos:
* Magnetmetros escalares: que miden la intensidad total del
campo magntico
resultante al cual estn siendo sometidos en un punto, pero no
aporta ningn dato
sobre las componentes vectoriales de campo.
* Magnetmetros vectoriales:que tienen la capacidad de medir la
intensidad del
campo magntico en una direccin particular, dependiendo de la
colocacin que ledemos al dispositivo.
Magnetmetros escalares:Magnetmetro de Precesin de Protn
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Tambin llamados Magnetmetros de protn. Un magnetmetro de protn
mide la
frecuencia de la resonancia de los protones (ncleos de hidrgeno)
en el campo
magntico para ser cuantificado, debido a la resonancia magntica
nuclear (RMN).
Esto es debido a que la frecuencia de precesin (cambio de la
direccin de los
ejes de movimiento) depende solo de la constante atmica y de la
fuerza del
campo magntico del ambiente. La precisin de este tipo de
magnetmetros
puede alcanzar 1 ppm.
Una corriente elctrica en un solenoide crea un fuerte campo
magntico alrededor
de un fluido rico en hidrgeno (queroseno, incluso agua puede ser
usada),
causando que algunos de los protones se alineen entre ellos
mismos y la direccin
del campo. Posteriormente la corriente es interrumpida, y los
protones se
realinean de nuevo segn el campo magntico del ambiente, de esta
forma la
frecuencia de la precesin es directamente proporcional al campo
magntico. Este
efecto produce una dbil rotacin del campo magntico, que es
recuperada para
nuestra informacin mediante un inductor, amplificado
electrnicamente, y
alimentado por una frecuencia digital conjunta, de la que su
output es un valor
escalar y se muestra en pantalla como la intensidad del campo
magntico.
Para este tipo de magnetmetros el rango de muestras suele ser
menor de
1muestra/ segundo. Las mediciones suelen ser normalmente tomadas
con el
sensor en posiciones fijas y con incrementos de 10 metros.
Los instrumentos portables son tambin limitados debidos al
volumen del sensor
(peso) y la consumicin de energa. De esta forma, los
magnetmetros de protn
trabajan en campos de gradientes de hasta 3,000 nT m1, el cual
es adecuado
para la mayora de las explotaciones minerales. Para mayores
gradientes en
explotaciones de hierro o de grandes masas frricas, los
magnetmetros
Overhauser pueden alcanzar los 10,000 nT m1 y los Cesium los
30,000 nT m1.
(Ver figura 1)
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Figura 1._ Magnetmetro de protn
Estos magnetmetros son baratos (< 7000) y eran normalmente
usados en
explotaciones minerales. Existen tres fabricantes principales en
el mercado: GEM
Systems, Geometrics and Scintrex. Los modelos ms populares son
G-856,
Smartmag,GSM-18 y GSM-19T.
Para explotaciones minerales han sido sustituidos por Overhauser
y Cesio, ya que
estos realizan ciclos ms rpidos y no necesitan de un operador
que realice la
pausa entre lecturas de datos.
Magnetmetros de efecto Overhauser
Tambin pueden ser llamados magnetmetros Overhauser. Estos
dispositivos
usan el mismo efecto fundamental que los magnetmetros de protn
para recoger
las medidas. Mediante la adicin de radicales libres al lquido de
medicin, el
efecto Overhauser nuclear puede ser usado para la mejora del
magnetmetro de
protn. En este caso, se usar un pequeo campo de baja
radio-frecuencia para
crear el alineamiento (polarizacin) de los radicales libres, los
cuales se acoplan alos protones mediante el efecto Overhauser (ver
figura 2). Este mtodo tiene dos
ventajas principales:
* Mediante el uso de pequeos campos se necesita menor energa y,
por tanto,
bateras ms ligeras y unidades portables.
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* Tiene una mayor velocidad de muestreo, ya que el acoplamiento
electrn-protn
puede ocurrir incluso cuando las mediciones estn siendo
tomadas.
Figura 2._ Magnetmetros Overhauser transportado por
operarios
Los magnetmetros Overhauser producen lecturas con entre 0.01 nT
- 0.02 nT de
desviacin/ segundo de muestreo.
Magnetmetro de vapor Cesio
Los magnetmetros de vapor bombeado de Cesio son altamente
sensitivos
(300fT/Hz1/2) y, gracias a su precisin, son usados en un amplio
rango de
aplicaciones. El Cesio es el vapor principal dentro de un gran
nmero de vapores
alcalinos (incluyendo rubidio y potasio) que son usados para
este mtodo, tambin
el Helio.
El dispositivo se divide en tres fases claras. La primera
consiste en la emisin de
un fotn contenido en una emisin de luz de Cesio o una lmpara. La
segunda es
una sala de absorcin que contiene vapor de cesio, que es un gas
amortiguador a
travs del cual los fotones emitidos pasan. Y por ltimo la
tercera, que consiste en
un detector de fotones que organiza en qu orden pasan.
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El principio bsico que permite que el dispositivo opere es el
hecho de que el
tomo de cesio puede existir en cualquiera de los nueve niveles
de energa, el
cual puede ser informalmente colocado en cualquiera de los
orbitales alrededor
del ncleo atmico. Cuando un tomo de cesio dentro de la sala se
encuentra un
fotn de la lmpara, ste es excitado a un nivel mayor de energa,
emite un fotn y
cae a un indeterminado nivel de energa. El tomo de cesio es
sensible a los
fotones procedentes de la lmpara en tres de los nueve niveles de
energa y, por
tanto, asumiendo un sistema cerrado, todos los tomos caern
finalmente en un
nivel en el cual todos los fotones procedentes de la lmpara
pasarn, y sern
medidos, a travs del detector de fotones sin obstculos. En este
punto, la
muestra estar polarizada y lista para la medicin y la toma de
datos. Este
proceso se realiza de forma continua durante la operacin y, de
esta forma, estar
preparado para su funcionamiento.
Figura 3._ Magnetmetro de vapor de cesio transportado por
operario
El magnetmetro de cesio es tpicamente usado donde los
magnetmetros de
protn no son suficiente. En arqueologa y geofsica, donde el
sensor barre a
travs de un rea y se toman muchas medidas precisas de campo
magntico son
normalmente necesarios. El magnetmetro de cesio ha aventajado
al
magnetmetro de protn, (ver figura 3).
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Magnetmetros vectoriales
Un magnetmetro vectorial mide una o ms componentes del campo
magntico
electrnicamente. Usando tres magnetmetros ortogonales podramos
calcular
todo el campo magntico en un punto. Realizando la raz cuadrada
de la suma de
los cuadrados de los tres componentes, hallaramos el valor de la
resultante en
mdulo (tambin llamada intensidad magntica total, IMT) mediante
el teorema de
Pitgoras.
Los magnetmetros vectoriales estn sujetos a cambios de
temperatura y la
inestabilidad dimensional de los ncleos frricos. Adems,
requieren de una buena
nivelacin para obtener la informacin, a diferencia de los
magnetmetros
escalares. Por estas razones, este tipo de magnetmetros no son
usados en
explotaciones minerales.
Magnetmetro de bovina rotativa
El campo magntico induce una onda sinodal en una bovina
rotativa. La amplitud
de la seal es proporcional a la fuerza del campo, proveyendo que
es uniforme, y
el seno del ngulo entre la rotacin de los ejes de la bovina y de
las lneas delcampo. Este tipo de magnetmetros estn obsoletos.
Magnetmetros de Hall effect
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Los detectores magnticos ms comunes son los sensores solid-state
Hall effect.
Estos sensores producen un voltaje proporcional al campo
magntico aplicado y
tambin detectan la polaridad. Este tipo de magnetmetros son
usados en
aplicaciones donde la intensidad del campo magntico es
relativamente larga,
como en el ABS de los coches.
Figura 4._ Magnetmetros de Hall effect de bolsillo
En la actualidad este tipo de dispositivos son usados en
infinidad de aplicaciones y
para diferentes mbitos del da a da. Como se puede ver en la
figura 4, tambin
para usos mdicos.
Magnetmetros magneto-resistentes
Este tipo de magnetmetros estn hechos de delgadas tiras de
permaloy (Nife
pelcula magntica), cuya resistencia elctrica vara con un cambio
en el campo
magntico. Estos dispositivos tienen un eje definido de
sensibilidad, puede serproducido en versin 3-D y tambin puede ser
producido en masa como un
circuito integrado. Tienen un tiempo de respuesta por debajo de
1 microsegundo y
pueden tomar muestras en elementos en movimiento de hasta
1000vueltas/segundo. Son usados en brjulas que leen dentro de 1,
para las
cuales el sensor debe ser fiable por debajo de 0,1.
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Magnetmetros Fluxgate
Los magnetmetros Fluxgate fueron inventados en el siglo XX, en
la dcada de los
30, por Victor Vacquier en los Laboratorios Gulf Research.
Vacquier los aplic
durante la segunda guerra mundial como un instrumento para la
deteccin de
submarinos y, despus de la guerra, confirm la teora de las
placas tectnicas
usando estos magnetmetros para medir los movimientos en los
patrones
magnticos en el suelo ocenico.
Un magnetmetro Fluxgate consiste de un pequeo, y
magnticamente
susceptible, ncleo envuelto por dos bovinas de cable. Una
corriente alterna pasa
a travs de una de las bovinas, conduciendo al ncleo a travs de
un ciclo alterno
de saturacin magntica: magnetizado, desmagnetizado,
inversamente
magnetizado y desmagnetizado. Estos cambios constantes de campo
inducen una
corriente en la segunda bovina, y esta corriente de salida es
medida mediante un
detector.
Figura 5._ Magnetmetro Fluxgate uniaxial
En un ambiente neutro, la corriente de la bovina 1 y de la
bovina 2 cambiar. Sin
embargo, cuando el ncleo est expuesto a un campo magntico, este
es
fcilmente saturado cuando se alinea con el campo y difcilmente
saturado cuando
est al contrario. Por tanto, la alternancia del campo magntico y
la corriente
inducida no sern iguales que la corriente de la primera bovina.
La diferencia entre
estos parmetros es lo que marca la intensidad del campo
magntico,
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dependiendo del ambiente. Por tanto, la corriente en la bovina
de salida es
integrada, consiguiendo un dato analgico de voltaje,
proporcional al campo
magntico.
El tpico magnetmetro fluxgate consiste en una bovina
(secundaria) envuelta en
otra (primaria), y todo enrollado alrededor de un ncleo de
material permeable. El
funcionamiento es idntico al anteriormente explicado.
Una amplia variedad de sensores estn actualmente disponibles y
son usados
para medir campos magnticos (ver figura 5). Brjulas Fluxgate
(ver figura 6) y
gradimetros miden la direccin y magnitud de los campos
magnticos. Los
Fluxgate son asequibles, resistentes y compactos. Gracias a su
bajo consumo de
energa, los hace ideales para una gran variedad de aplicaciones.
Los
gradimetros son normalmente usados para arqueologa retrospectiva
y para
deteccin de artillera enemiga, como la usaba el ejrcito
alemn.
Figura 6._ Brjula de magnetmetro Fluxgate
Hay factores adicionales que afectan al tamao de la seal
resultante. Estos
factores incluyen el nmero de enrollamiento de las bovinas, la
permeabilidad del
ncleo,
la geometra del sensor y la puerta del rango de flujo que cambia
respecto al
tiempo. La deteccin de la fase sncrona es usada para convertir
las seales
armnicas a voltaje DC proporcional al campo magntico
externo.
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Magnetmetro SQUID
Los SQUID sirven para la medicin de campos magnticos
extremadamente
pequeos. Esta clase de dispositivos son muy sensibles, con
niveles de ruido por
debajo de 3 fT Hz- en aparatos comerciales y de 0,4 fT Hz- en
aparatos para
experimentacin. Muchos consiguen un espectro liso de ruido
procedente de DC
(por debajo de 1 Hz) a decenas de kilohercios, haciendo que
estos dispositivos
sean ideales para medicin de seales biomagnticas de
tiempo-dominio. Los
magnetmetros atmicos SERF demostraron en laboratorios que
estos
dispositivos pueden ser competitivos solo a pequeos rangos de
frecuencia.
Figura 7._ Magnetmetro de SQUID, equipo completo
Los magnetmetros requieren una refrigeracin mediante Helio
lquido (4,2K) o
nitrgeno lquido (77K) para funcionar. Por lo tanto el aparato
necesita ser usado
de estrictamente de forma termo-mecnica y tambin desde el punto
de vista
magntico. Los magnetmetros SQUID son ms comnmente usados para
medir
campos magnticos producidos por el cerebro o actividad
cardiovascular
(magnetoencefalografa y magnetocardiografa). Tambin se usan, en
algunas
ocasiones, estos dispositivos para estudios geofsicos, pero la
logstica es mucho
ms complicada que con los magnetmetros explicados anteriormente
(ver figura7).
Magnetmetros atmicos SERF
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Con una suficientemente grande densidad atmica, se puede
conseguir una gran
sensibilidad en la deteccin. Los magnetmetros SERF contienen
vapor de
potasio, cesio o rubidio y funcionan de forma similar a los
magnetmetros de cesio
explicados anteriormente, pero podemos alcanzar sensibilidades
aun menores de
hasta 1 fT Hz-. Estos magnetmetros se usan solo para pequeos
campos
magnticos. El campo magntico terrestre es de unos 50 T. Los SERF
operan en
campos por debajo de 0,5T.
Los detectores de largo volumen han conseguido una sensibilidad
de 200 aT Hz-
1/2. Esta tecnologa tiene una mayor sensibilidad por unidad de
volumen que los
detectores SQUID. La tecnologa puede tambin fabricar
magnetmetros muy
pequeos, que podran en el futuro reemplazar a bovinas en la
deteccin de
cambios en campos magnticos. Esta tecnologa podra fabricar un
sensor
magntico que tenga todas las seales de entrada y salida de la
forma de luces o
de los cables de fibra ptica. Esto permitira las mediciones
magnticas en lugares
donde existen altos voltajes elctricos.
